晶振电路的原理和作用，晶振电路原理分析

1、晶体振荡电路

由于晶体谐振器是无源元件，因此受电源电压、环境温度、电路配置、电路常数、板布线方法等影响，可分为正常和异常两种工作模式。因此，在设计振荡电路时，首先要考虑保证晶体谐振器的振荡并保持其稳定性。确定了上述几方面之后，下一步就要考虑频率精度、频率可调性、调制级别、启动时间等。

2. 元件功能及参考值

设计振荡器电路时，需要了解每个元件的作用。参考基于C-MOS技术的芯片（东芝：74HCU04AP）的振荡电路（图1），其功能如表1所示。

图1

如表1所示，如果振荡电路没有连接反馈电阻(Rf)，则即使振荡电路上电，振荡器也不会开始振荡。如果未连接适当值的电阻器，晶体将不会开始以所需模式振荡，而是可能产生谐波或基波振荡。

对于基频谐振器（MHz 频段），反馈电阻通常为1 M。对于泛音谐振器（MHz频段），反馈电阻取决于IC和频率特性，范围从几k到几十k。如果是音叉振动器（kHz频带），则需要连接10M以上的反馈电阻。

泄放电阻(Rd) 的适当值取决于谐振器的类型、频带和外部电容器(C1、C2) 的值。测量振荡电路的特性（负阻、驱动电平等）并确定最佳值。 AT-cut 谐振器（MHz 频段）的Rd 标准值在几百 到几k 范围内。音叉型振动器（k频段）的Rd标准范围为100k至数百k。

外部电容器的合适值范围为3 pF 至33 pF，具体取决于谐振器类型、频带、泄放电阻器值和振荡形式。

3、振荡电路检测方法

为了尽可能准确地测量安装在板上的晶体的振荡频率，必须使用正确的方法。振动频率通常使用探头和频率计数器来测量，最重要的是，测量工具对测量结果的影响被最小化。

图2、图3 和图4 显示了测量频率的三种方法。最准确的测量方法是使用频谱分析仪，它可以在不接触振荡电路的情况下测量频率。

图2. 探头对频率没有影响的原因是它测量逆变器（缓冲器）的输出。

图2 逆变器缓冲器输出

图3. 探头对频率没有影响的原因是它还可以测量芯片缓冲器输出频率（1/1、1/2 等）。

图3 芯片缓冲器输出

图4. 在这种情况下，没有芯片缓冲电平输出。为了减少探头对频率的影响，在芯片XTAL_OUT 的输出引脚与探头之间应插入一个小于3pF 的电容。但这种方法可能会导致输出波形较小，并且由于频率计的灵敏度，即使可以用示波器测量，也无法用频率计测量。在这种情况下，请使用放大器进行测量。

图4 无芯片缓冲器输出

另外，振荡频率根据测量点而变化。

1. 测量缓冲器输出

2. 测量振荡级输出

3. 通过电容测量振荡器级的输出

图5 显示了测量点1 至3。这里测量缓冲器输出点，并且测量的振荡频率受探头的影响较小。

图5 三个测量点

4. 测量负阻

一种确定振荡裕度并用于根据测量值预测振荡稳定性的测量方法。

如图6所示，在振荡器上串联一个电阻（R）并更换为更大的阻值，直至振荡停止。该电阻为负，直到谐振器停止振荡。

图6 负阻测量

消息：

l 使用示波器检查测量点的振荡波形。

l请检查工作电压范围内负阻的最小值。

l 根据使用温度范围使用干燥机、淬火剂、恒温箱等调节温度，并检查负阻值。

l 负阻10倍最大晶振阻抗。推荐用于汽车应用和个人安全设备。对于其他应用，建议使用最大晶体阻抗5 倍的负电阻。

5. 测量驱动电平

在使用晶体振荡器的电路中，测量晶体振荡器在正常工作期间消耗的功率。

使用电流探头（例如P6022/Tektronix）测量流经谐振器(i) 的电流，如图7 所示。

然而，使用探针接触振荡电路并不能提供准确的值，因为电流从探针流向GND。

图7 测量晶体振荡器驱动电平

一个公式：

DL（驱动电平：W）=i^2xR1

.i(A): 电流（有效值）

.R1()：晶振串联电阻

消息：

晶体的最大允许驱动电平取决于晶体尺寸和振荡模式。

6、检查是否有异常振荡

在振荡电路中，检查晶体谐振器是否以不期望的振荡模式振荡。

–简单的测试方法–

如图9所示，当晶体振荡器的振荡模式为基波模式时，用微湿的手指抓住振荡器的两根引线，并在电源关闭然后打开时将手指移开，可以避免异常振动。可以检查。如果在示波器上没有观察到三次谐波振荡，则不存在异常振荡的可能性。另一方面，如果您张开手指在示波器上观察三次谐波振荡，则可能存在异常振荡。湿手指检查的目的是在晶体上产生一个小电阻，以降低Rf 并允许在高频范围内振荡，如图8 中的原理图所示。

图8 异常振荡的确认

通常情况下：

例外：

图9 异常振荡波形

7、振荡电路引起的不合格情况及对策

晶振电路的设计中可能会出现多种不合适的情况。

例如：

1、频率不在要求范围内。 （但是，应用需要精确的频率稳定性。）

2. 频率无法调整。 （虽然频率是可调电路）

3. 1/3或3倍标称频率振荡

4、晶振启动时间明显延迟。

5. 振荡器不振荡或需要很长时间才能开始振荡。

为了缓解这种情况，您至少应该检查上述振荡电路的基本项目。

即使无法通过改变谐振器规格来解决失配问题，但在电路方面处理起来也相对容易（见表2）。

然而，即使改善了匹配条件，也可能无法满足振荡电路的许多特性。如果您无法使用表2 中的建议解决问题，请联系您的晶体供应商。